CN1481592A - 燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

燃料电池组由许多叠置的燃料电池(1)构成。每个燃料电池(1)包括：膜电极组件(5)，在该组件中，固体聚合物电解质(2)被夹紧在阳极膜(3)和阴极膜(4)之间；阳极气体隔离板(6A)，具有面向阳极膜(3)的阳极气体沟槽(6C)；阴极气体隔离板(6B)，具有面向阴极膜(4)的阴极气体沟槽(6D)。在叠置时，燃料电池(1)的阳极气体隔离板(6A)与相邻燃料电池(1)的阴极气体隔离板(6B)接触。该阳极气体隔离板(6A)和阴极气体隔离板(6B)具有不同的抗弯强度或者弯曲模量，从而可以在叠置期间防止气体隔离板损坏以及防止气体或冷却水泄漏。

Description

燃料电池组
发明领域
本发明涉及构成燃料电池组的燃料电池气体隔离板。
发明背景
由聚合物电解质燃料电池(PEFC)构成的燃料电池包括：膜电极组件(MEA)，在这种膜电极组件中，阳极膜和阴极膜加压粘接在固体聚合物电解质的两个表面上；阳极气体隔离板，具有用于向阳极输送氢的沟槽；阴极气体隔离板，具有用于向阴极输送氧气的沟槽。在用作一个单一发电单元的燃料电池组中，由许多这种燃料电池构成的叠层体被夹紧在电流收集器、绝缘件和端板之间，并在压缩方向由系杆束紧。
然而，利用系杆束紧燃料电池的叠层体可能造成气体隔离板的破裂和断开。
在这一方面，在2001年由日本专利局出版的Tokkai 2001-68128和Tokkai 2001-189160公开了增加气体隔离板强度的工艺。前者提出用非晶形碳材料制作气体隔离板。后者提出用包含纤维增强件的碳复合材料制作气体隔离板。
发明概要
当在这些先有技术例子中采用这两种材料中的一种材料时，可以增加气体隔离板的强度，因而在防止破裂和断开方面先有技术可以获得有利的结果。然而，这些气体隔离板具有高含量的树脂和高含量的纤维增强件，结果，与不包含树脂或纤维增强件的气体隔离板相比，不可避免地造成电导率的降低。当气体隔离板的电导率很低时，燃料电池的发电特性变坏。
因此本发明的目的是防止在叠置燃料电池期间气体隔离板的破裂和断开，同时不降低气体隔离板的电导率。
为了达到上述目的，本发明提供一种燃料电池组，该装置包括：许多叠置的燃料电池。各个燃料电池包括膜电极组件，在这些组件中，固体聚合物电解质被夹在阳极膜和阴极膜之间；阳极气体隔离板，具有面朝阳极膜的阳极气体沟槽；阴极气体隔离板，具有面朝阴极膜的阴极气体沟槽。
阳极气体隔离板和阴极气体隔离板镶在抗弯强度或弯曲模量方面被作成具有不同的特性，将燃料电池叠置起来，使得燃料电池的阳极气体隔离板与相邻燃料电池的阴极气体隔离板接触。在下面的说明中，说明本发明的细节和其它优点，它们示于附图中。
附图的简要说明
图1是本发明燃料电池的分解横截面图。
优选实施例的说明
下面参考附图1，燃料电池1包括MEA5、阳极气体隔离板6A和阴极气体隔离板6B。
该MEA5包括固体聚合物电解质2以及阳极膜3和阴极膜4，这些膜加压粘接在固体聚合物电解质2的两个面上。
阳极气体隔离板6A和阴极气体隔离板6B配置成彼此相对，使其将MEA5夹在中间。在阳极气体隔离板6A和固体聚合物电解质2以及阴极气体隔离板6B和固体聚合物电解质2之间分别夹紧由绝缘材料构成的衬垫7。应当注意到，图1是分解图，而且事实上，衬垫7接触固体聚合物电解质2。
在面向MEA5的阳极气体隔离板上等间距地形成沟槽6C。在阴极气体隔离板6B上形成同样的沟槽6D。该沟槽6C形成阳极气体的沟槽，该阳极气体的主要成分为氢。该沟槽6D构成阴极气体的沟槽，该阴极气体的主要成分为氧。夹紧在阳极气体隔离板6A和固体聚合物电解质2之间的衬垫7所起的作用是防止阳极气体从阳极气体沟槽中漏出。夹紧在阴极气体隔离板6B和固体聚合物电解质2之间的衬垫7其作用是防止阴极气体从阴极气体沟槽中漏出。
可以省去衬垫7，由此使得阳极气体隔离板6A的一部分直接接触固体聚合物电解质2，并使阴极气体隔离板6B的一部分直接接触固体聚合物电解质2。因而，可以利用固体聚合物电解质2的弹性来密封阳极气体和阴极气体。
在阴极气体隔离板6B上形成的沟槽6E与沟槽6B背靠背。然后将如此形成的许多燃料电池1沿图的水平方向叠置起来。并将未示出的电流收集器、绝缘件和端板固定在叠置的燃料电池1的各个端部。接着用系杆在邻近方向加上适当负载将在两个端部的端板束紧，由此形成一体的燃料电池组。
在这样形成的燃料电池组中，具有沟槽6E的阴极气体隔离板6B粘接在相邻燃料电池1的阳极气体隔离板6A上，使得沟槽6E可以完全密封冷却水沟槽。该冷却水沟槽的作用是稳定燃料电池组的操作温度。然而，仍然可以剩去这种冷却水沟槽。
对于抗弯强度和弯曲模量中的至少一个物理特性，该阳极气体隔离板6A和阴极气体隔离板6B在特性上是不同的。
即阳极气体隔离板6A的抗弯强度确定为显著高于或低于阴极气体隔离板6B的抗弯强度。或者，阳极气体隔离板6A的弯曲模量确定为显著高于或者低于阴极气体隔离板6B的弯曲模量。另外，阳极气体隔离板6A和阴极气体隔离板6B鉴于抗弯强度和弯曲模量的不同可采用不同的组份制造。
在阳极气体隔离板6A和阴极气体隔离板6B之间，抗弯强度的差可以设定在大于0和不超过180MPa(megapascals)的范围内。而在阳极气体隔离板6A和阴极气体隔离板6B之间的弯曲模量的差被设定在大于0和不超过35Gpa(gigapascals)的范围内。为了更详细地说明，假定阳极气体隔离板6A和阴极气体隔离板6B中的一个隔离板是气体隔离板A，而另一个被假定为是气体隔离板B。
如果气体隔离板A的抗弯强度被设定为大于气体隔离板B的抗弯强度，而气体隔离板A的弯曲模量被设定为小于气体隔离板B的弯曲模量，则气体隔离板A具有较大的强度和韧性。如果气体隔离板A的抗弯强度被设定为大于气体隔离板B的抗弯强度，而气体隔离板A的弯曲模量被设定为大于气体隔离板B的弯曲模量，则气体隔离板A具有较大的强度，而气体隔离板B具有较大的韧性。在叠置方向相邻的气体隔离板的抗弯强度和弯曲模量以这种方式改变时，在用系杆束紧叠置的燃料电池1时，与叠置均匀气体隔离板的情况相比，可以减小在气体隔离板上发生破裂和断开的机率。
在此实施例中，可以交替放置两种气体隔离板，即阳极气体隔离板6A和阴极气体隔离板6B。然而，即使在用三种或多种气体隔离板的燃料电池组中，也可以获得与本实施例相同的效果，只要在叠层方向相邻的气体隔离板的抗弯强度或弯曲模量不同。
具有如上所述这种物理特性差别的气体隔离板可以利用已知的制造方法制造。
具有上述不同抗弯强度或者不同弯曲模量的气体隔离板的制造方法是，采用包含石墨颗粒和树脂的石墨复合材料，并改变石墨颗粒和树脂的类型。由此种方法制造的气体隔离板具有比上面Tokkai2001-68128和Tokkai 2001-189160中所述的气体隔离板高的导电率。在这些文件中的气体隔离板是采用纤维增强塑料(FRP)制造的，该纤维增强塑料由纤维增强件例如玻璃纤维或碳纤维构成。
如果采用平均颗粒直径为0.5mm或更小的多孔石墨材料作石墨，则气体隔离板的弯曲模量低于采用其它石墨材料的弯曲模量，因此增加了柔性。气体隔离板的抗弯强度随树脂含量的增加而增加，和弯曲模量一样，由此可以降低柔性。然而应当注意到，增加树脂成份引起的抗弯强度的增加有一个极限。
采用颗粒合成石墨作石墨，或者采用浸透树脂的石墨材料，或者采用玻璃化的碳可以使弯曲模量和抗弯强度二者增加。通过加入适当量的纤维增强件还可大大增加气体隔离板的抗弯强度。
为了进一步增加两个气体隔离板之间抗弯强度和弯曲模量之间的差别，最好用具有低弯曲模量的发泡石墨材料制作气体隔离板中的一个板，而用玻璃化的碳或者抗弯强度和弯曲模量二者都高的合成石墨材料制作气体隔离板中的另一个板。
至于用在石墨复合材料中的树脂最好是抗酸的、耐热的和耐水解的树脂，这种树脂可以承受燃料电池组的工作环境。可以采用具有热塑性特性或具有热固性特性的树脂。
气体隔离板的结构材料不限于石墨复合材料。气体隔离板还可以用耐酸的金属例如钛制造。另外，也可以采用不锈钢或铝作气体隔离板的结构材料，并在与气体接触的那部分气体隔离板上涂上耐腐蚀的材料，同时在与MEA5接触的那部分气体隔离板上涂上贵金属，使其可以减小接触电阻。一种以这种方式构成的金属气体隔离板可以与另一种具有不同物理特性的金属气体隔离板交替叠置，或者可以与用石墨复合材料制作的气体隔离板交替叠置。
当用系杆束紧气体隔离板以及衬垫和MEA时，由于叠置的不平整性可能局部地造成压力集中。“叠置的不平整性”意味着加工精度不一致，例如在气体隔离板厚度方向的翘区或者厚度不均匀，或者叠置期间在衬垫的一个部分或者MEA5上产生叠置误差。由于具有弹性，所以气体隔离板可以响应这种叠置不平整性而改变形状，由此可以缓解这种局部的压力集中，并防止气体隔离板发生裂纹或断开。还可以得到气体或者冷却水不会漏出的环境。
另外，在叠置燃料电池1时，具有低抗弯强度或者弯曲模量的气体隔离板可以按照放在其两侧的气体隔离板弹性地改变形状，因此，可以防止气体隔离板的损伤和漏气。因而不需要在燃料电池组中提供特殊的部件便可防止气体隔离板的损坏或漏气，这意味着简化了燃料电池组的结构。
当采用石墨颗粒和树脂作为主要成分的复合材料制作气体隔离板时，由于成份的差别，使得气体隔离板的热导率也产生差别。在这种情况下，最好采用具有高热导率的气体隔离板作阴极气体隔离板6B，这种阴极气体隔离板比阳极气体隔离板6A具有较高的温度灵敏度。因为阴极具有高电流密度和产生较大的热量，所以在阴极气体隔离板6B中形成沟槽6E，从而获得冷却水沟槽。因此，由于增加了阴极气体隔离板6B的热导率，所以可以提高流过沟槽6E的冷却水的冷却效果。另外，在用燃料电池1发电时，固体聚合物电解质必须保持在潮湿状态。为了确保这种潮湿状态，必须准确控制燃料电池1的温度。提高具有冷却水沟槽的阴极气体隔离板6B的热导率简化了燃料电池1的温度控制。
下面说明如前所述的气体隔离板A和B的制造方法以及由本发明人对用气体隔离板A和B的燃料电池组的强度进行的试验结果。
首先将1 00份重量的石墨颗粒与1.76份重量的酚醛树脂和0.6份重量的内膜具润滑剂进行干混合，然后将此混合物压铸成板，使其表面尺寸为300mm×250mm，厚度为1mm，由此制成两个气体隔离板A和B。该气体隔离板分别包含阳极沟槽或者阴极沟槽，这些沟槽具有入口和出口，使得可以将气体沟槽分别连接于相应气体的进气管和排气管。
该气体隔离板A和B具有以下差别。
气体隔离板A采用平均颗粒直径为60mm的合成石墨颗粒作石墨颗粒，并在压铸后进行灼烧，作为物理特性得到95MPa的抗弯强度和28GPa的弯曲模量。
气体隔离板B采用平均粒子直径为120μm的发泡石墨粒子作石墨粒子，并进行热处理，以促使酚醛树脂完全固化，由此作为物理特性得到38MPa的抗弯强度和8GPa的弯曲模量。
表1示出气体隔离板A和气体隔离板B的抗弯强度(MPa)、弯曲模量(GPa)和厚度D的准确度(±μm)。按照日本标准GISK7171“塑料-弯曲特性的测定”测量抗弯强度和弯曲模量。
隔离板 抗弯强度(MPa) 弯曲模量(GPa) 厚度准确度(±μm)
    A     95     28     10
    B     38     8     60
随后将采用气体隔离板A和气体隔离板B的燃料电池叠置起来构成燃料电池组，即将电流收集器、绝缘件和端板放在沿叠置方向叠置的燃料电池的各个端部，随后用系杆沿叠置方向束紧得到燃料电池。
电流收集器和绝缘件中的各个部件作成表面尺寸为300mm×250mm，厚度为1mm，而端板作成表面尺寸为300mm×250mm，厚度为20mm。
例子1
制造一种燃料电池，在这种电池中，MEA夹在气体隔离板A和气体隔离板B之间，然后将5个这种燃料电池叠置起来，使得气体隔离板A接触相邻燃料电池的气体隔离板B。然后，如上所述，将电流收集器、绝缘件和端板放在叠置的燃料电池的各个端部，并用系杆束紧在两个端部的端板，束紧的接触压力为0.5MPa，可以采用同样的方法获得另一种燃料电池组，该装置在两端用1MPa的接触压力束紧端板。
比较例子1
燃料电池的阳极气体隔离板和阴极气体隔离板均被作成为气体隔离板A。将以这种方式作成的5个燃料电池像例子1一样进行叠置，然后像例子1一样进行同样处理，得到以0.5MPa的接触压力束紧的燃料电池组和以1MPa接触压力束紧的燃料电池组。
比较例子2
燃料电池的阳极气体隔离板和阴极气体隔离板均被作成为气体隔离板B。将以这种方式作成的5个燃料电池像例子1一样进行叠置，然后像例子1一样进行同样处理，得到以0.5MPa接触压力束紧的燃料电池组和以1MPa接触压力束紧的燃料电池组。
在例子1、比较例子1和比较例子2中制造的6种燃料电池组的每一种装置中将包含燃料气体的氢气输送到阳极气体隔离板的支管内，而将包含氧化气体的氧气输送到阴极气体隔离板的支管内。可以用气体检测器检测从燃料电池组的外周缘漏出的气体。还将冷却流体输送到各个燃料电池组的冷却沟槽内，并检查冷却冷却流体的渗漏。在进行泄漏检测试验以后，卸开每个燃料电池组，利用目测法检查气体隔离板受到的损坏。然后再重新装上卸开的燃料电池组，再进行上述的泄漏检测。对于6种燃料电池组的各种装置进行5次泄漏检测试验和用目测法检测气体隔离板的损坏。
表2示出上述试验结果，表中的数字表示检测到气体和冷却流体渗漏的数目或表示气体隔离板受损位置的数目。
项目 隔离板        0.5MPa接触压力        1.0MPa接触压力
板的损伤 气体泄漏 板的损伤 气体泄漏
样品1 A-B 无 无 无 无
比较样品1 A-A 无 1～3 1～3 4个以上
比较样品2 B-B 无 1～3 无 1～3
在样品1中，使具有不同物理特性的气体隔离板A和气体隔离板B连用，按照相关样品1的试验结果，没有气体或者冷却流体的渗漏，而且不管在0.5MPa或1.0MPa的接触压力条件下均没有发现气体隔离板有损伤。
至于比较样品1，在加上0.5MPa的接触压力时，气体隔离板没有损坏，但是在1～3个位置发现有气体或冷却流体渗漏。在1.0MPa的接触压力时，在1～3个位置发现气体隔离板有损伤，而且在4个或多个位置发现气体或者冷却流体渗漏。
在比较例子2中，在0.5MPa或者1.0MPa的接触压力下，没有发现任何气体隔离板损坏，但是在两种接触压力下，分别在1～3个位置发现气体和冷却流体泄漏。
归档日期为2001年12月21日的日本Tokugan 2001-389166的内容作为参考包含在本文中。
虽然上面已参考本发明的某些实施例说明本发明，但是本发明不限于上述实施例，技术人员根据上面说明可以想出上述实施例的各种改型和变化。
应用的工业领域
如上所述，通过联合应用抗弯强度或者弯曲模量不同的隔离板，本发明的燃料电池组可以吸收沿叠置方向束紧叠置燃料电池时在隔离板上的翘区或不均匀性。本发明最好用于聚合物电解质燃料电池作的燃料电池组。由此可以防止隔离板损坏，以及防止气体或冷却水渗漏，而且不会影响隔离板的电导率。
本发明的申请专有权或特许权的实施例被确定如下。

Claims (7)

1.一种燃料电池组，包括：
许多叠置的燃料电池(1)，各个燃料电池(1)包含：膜电极组件(5)，在该电极组件中，固体聚合物电解质(2)被夹紧在阳极膜(3)和阴极膜(4)之间；阳极气体隔离板(6A)，具有面向阳极膜(3)的阳极气体沟槽(6C)；阴极气体隔离板(6B)，具有面向阴极膜(4)的阴极气体沟槽(6D)，阳极气体隔离板(6A)和阴极气体隔离板(6B)在抗弯强度或者弯曲模量方面具有不同的特性，将燃料电池(1)这样叠置，使得燃料电池(1)的阳极气体隔离板(6A)与相邻燃料电池(1)的阴极气体隔离板(6B)接触。
2.如权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，阳极气体隔离板(6A)和阴极气体隔离板(6B)用包含石墨颗粒和树脂的复合材料制作。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池组，其特征在于，阳极气体隔离板(6A)和阴极气体隔离板(6B)中的一个板具有比另一个板大的抗弯强度和比另一个板小的弯曲模量。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池组，其特征在于，阳极气体隔离板(6A)和阴极气体隔离板(6B)中的一个板具有比另一个板大的抗弯强度和比另一个板大的弯曲模量。
5.如权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，在阳极气体隔离板(6A)和阴极气体隔离板(6B)之间的抗弯强度差确定在180MPa(兆帕斯卡)或者更小，而在阳极气体隔离板(6A)和阴极气体隔离板(6B)之间的弯曲模量差确定为35Gpa(千兆帕斯卡)或者更小。
6.如权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，阴极气体隔离板(6B)其热导率高于阳极气体隔离板(6A)。
7.如权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，阴极气体隔离板(6B)包含冷却水沟槽(6E)。
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